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趣味物理学
1.8.16 6.16 为什么冰是滑的?
6.16 为什么冰是滑的?

我们都知道,擦得光彩照人的地板很容易让人滑倒,而普通粗糙的地板就不易。顺着这个思路,我们便想当然地以为,光滑的冰面要滑于粗糙的冰面。

可是如果你曾拖着满载重物的雪橇或滑雪板在坑坑洼洼的冰面上走过,你就有体会,与光滑的冰面相比,在坑洼冰面上拖雪橇更省力。这就是说,坑洼不平的冰面比光滑的冰面更滑!要理解这一令人费解的现象,我们首先要弄清很关键的一点,那就是冰面的滑性并不取决于它是非光滑,而是另外一个重要的原因,冰的熔点会随着压强的增大而降低。

我们细细分析一下就会明了。我们先要弄清楚的是,溜冰时,冰面上到底会发生哪些变化。当我们穿着溜冰鞋站在冰上时,我们全身的重量都集中在面积很小的溜冰鞋刀刃上。从前面第2章所讲的压强现象,我们可知,与刀刃相触的那一小部分冰面,大约只有几平方毫米的面积上,承担了我们全部的体重,从而会产生极大的压强。在这么强大的压强下,即使温度很低,冰也会融化。我们打个更形象的比喻来说明这一点。假设现在冰的温度是-5℃,那么在冰刀的巨大压力下,与之接触处的冰的熔点要下降5℃以上,很显然,这部分冰很容易融化[5]。事实上,它们也的确融化了,在冰刀与冰面上形成一层薄薄的水,就这样,溜冰者就能自由地滑行了。当滑冰者滑到别处,同样也会在冰面上压出一层薄水层。总而言之,只要他滑到哪儿,哪儿就会产生薄水层。在大自然的形形色色的物体中,只有冰具有这种独一无二的滑性,它曾被一位物理学家称作“自然界唯一滑的物体”。而别的物体只是表面光滑而已,并没有这种滑性。

我们现在再来谈本节的话题:是光滑的冰面,还是坑坑洼洼的更滑些。我们现在都知道,受同一物体压着,如果受压面积越小,其压强就会越大。很显然,溜冰者站在光滑的冰面上,其与冰面接触的面积,要大于他与凹凸不平的冰面相接触的面积,因为不平的冰面只有几个支点支撑他的重量。由此可知,在重量相同时,坑坑洼洼的冰面所受的压强会更大。而压强越大,冰越容易融化成水,而水越多,溜起来自然就越滑。(这里特别说明一下,上述解释只适用于刀刃比较宽阔的冰刀,并不适用于刀刃锋利的冰刀,因为锋利的冰刀会插进冰里,从而消耗前进的能量,这又是另外一回事了)

极大的压强能降低冰的熔点的原理,可以解释日常生活里的许多现象。比如我们用力挤压两块叠在一起的冰,它们就会合成一块,就可以用这个原理来解释。而孩子们在冬天捏雪球时也会用到这一原理,尽管他们并不知晓。受手施加的压力和热量,雪花会降低它的熔点,有一部分会融化,而手一松开,它们又会冻结起来。这个特性同样适用于在雪地里滚雪球的情景:在本身的重压下,雪球最下面与雪地接触部分的雪会暂时融化,而当它往上滚时,又会冻结,并把更多的雪粘在身上。由此我们也可知,为什么当冬天气温极其寒冷时,我们只能将雪球捏得松松垮垮的,很难捏紧,滚雪球呢也不能将雪球滚大,原因就是气温太低,雪球即使受压也不会融化。而街道上的雪被往来不息的人们踩踏后,会形成许多水,它们连在一起,受冷后会在路面上结成整片的一层冰,也是因为这个缘故。